화학장치설비에서의 독성 완충거리를 결정하기 위한

결과영향 모델링 방법론 - Phase I : 유해독성가스의 누출

박영석, 서중근,  송덕만

울산대학교 화학공학과

Consequence Modeling Methodology for Determining the Toxic Buffer Distance at Chemical Plant Facilities - Phase I : Hazardous/Toxic Releases

Y.S. Park, J.K. Seo,  D.M. Song

Dept. of Chem. Eng., University of Ulsan

1. 서론

대부분의 화학공장에서의 누출사고는 화학장치설비중 저장탱크나 파이프라인의 파손에 의하여 내부 물질이 누출되는 경우이며, 유해독성가스의 누출은 누출가스가 비가연성인 경우 화재/폭발 위험은 없지만 장시간 대량으로 누출되는 경우 풍하방향으로의 분산 및 확산에 의하여 누출원 주위에 독성피해를 주는 유해위험성을 내포하고 있다.

유해독성가스의 누출로 인한 결과영향 모델링을 개발함에 있어, 누출물의 상태(기상, 액상, 2상) 및 조건(온도, 압력), 누출물의 물리□화학적 특성, 지형 및 기상조건은 유해기독성가스의 대기중의 분산에 커다란 영향을 미친다.

이에, 본 연구는 화학장치설비에서 누출 가능성이 있는 유해독성가스의 누출에 따른 결과영향을 가장 적절하게 평가할 수 있는 모델들을 검토하여, 화학장치설비의 유해독성가스의 누출에 대한 결과영향 모델링 (Consequence Modeling)을 개발함으로써 인체의 건강, 환경 및 안전에 미치는 영향을 평가하기 위한 정량적인 유해위험성 평가기술에 대한 가이드라인을 제공하기 위한 것이다.

2. 결과영향 모델링 방법론

(1) 유해독성가스 누출의 Threshold 양과 한계농도

USEPA의 유해독성가스 누출에 따른 대기중 유해독성가스별 독성농도기준 및 Threshold 양을 요약하여 다음의 Table 1에 비교하여 나타내었다.

(2) 모델의 선정

유해독성가스의 누출에 대한 결과영향 모델링을 수행하기 위하여 스크리닝 절차 (Screening Procedure)로는 USEPA가 공인하는 TSCREEN 모델을, 보다 정교한 해석 (Refined Abalysis)을 위하여 USEPA가 공인하는 모델들을 상용화한 Arthur D. Little, Inc.의 SuperChemsTM(V.2) 모델과 Trinity Consultants Inc.의 BREEZE 모델 (ISCST 모델)을 사용하였으며, 각 모델들에 사용된 독성 분산모델의 특징을 비교하여 Table 2에 나타내었다.

Table 1. A Comparison of Toxicity and Threshold Quantity for the Typical Regulated Toxic Substances for Accidental Release Prevention (77 Substances)

Chemical	Toxicity Threshold Concentration (ppm)					Threshold Quantity lbs (kg)
	TLV-TWA	TLV-STEL (15 min)	OSHA/PEL	IDLH (30 min)	ERPG-3 (60 min)
Ammonia	25	35	25	500	1,000	10,000 (4,540)
Chlorine	0.5	1	0.5	30	20	2,500 (1,135)
Ethylene Oxide	1	-	1	800	-	10,000 (4,540)
Hydrogen Chloride	5	-	5	100	100	5,000 (2,270)
Hydrogen Cyanide	10	5	10	50	-	2,500 (1,135)
Hydrogen Fluoride	3	6	3	30	50	1,000 ( 454)
Hydrogen Sulfide	10	15	10	300	50	10,000 (4,540)
Methyl Isocyanate	0.02	-	0.02	20	-	10,000 (4,540)
Nitric Acid	2	4	2	100	-	15,000 (6,810)
Phosphine	0.3	1	0.3	200	-	5,000 (2,270)
Sulfur Dioxide	2	5	2	100	15	5,000 (2,270)

Ref: USEPA, CAAA of 1990, Section 112(r) 68130 - the Federal Register 04/15/96

(IDLH : 30 min,  ERPG-3 : 60 min,  TLV-STEL : 15 min)

Table 2. A Comparison of the Toxic Gas Dispersion Models Used for SuperChemsTM Model and Breeze Model

Model	Toxic Gas Dispersion Model
SuperChemsTM Model (Arthur D. Little, Inc.)	□ Indoor Dispersion Model □ Momentum and Bouyancy Dominated Gas Jets Model □ Momentum Dominated Elevated Heavy Gas and Two-Phase Jets Model ((including Droplet Dynamics) □ Instantaneous Heavy Gas Model (including Aerosol Effects) □ Continuous Heavy Gas Model (including Aerosol Effects) □ Integrated Gaussian Puff Model □ Other Gaussian Models (Finite Duration GaUssian Model, etc.) □ Combustion Toxics Model
BREEZE Model (Trinity Consultants Inc.)	□ BREEZE AIR SUITE (ISCST3, ISCLT3, ISCEV3, SCREEN3, COMPLEX1, WAKE) □ BREEZE HAZ (AFTOX, DEGADIS+, TRPUF, INPUFF, SPILLS, HOT SPILLS)

(3) 누출원 모델링

본 연구에서 SuperChemsTM 모델을 이용하여 연속누출 및 순간누출에 사용된 누출원 모델링의 개요는 다음의 Table 3와 Fig. 1에 나타내었다.

Table 3. Source Term Model

Geometrical Configuration		Source Term Model
Tank	□ Horizontal Cylindrical Tank □ Vertical Cylindrical Tank □ Rectangluar Tank	□ Non-pressurized Liquids □ Pressurized Liquids □ Two-phase Flow □ Pressurized gas □ Flash Atomization/Aerosolization □ Expansion of Two-Phase and Gas Choked Jets
Pipelines	□ On Surface □ Underground or Under Water

Fig. 1. Typical model sequence for toxic gas release.

(4) 결과영향 모델링

본 연구의 분산모델링 및 결과영향 모델링은 다음과 같이 수행되었다.

① 분산모델링 방법론의 개발 : 화학장치설비중 저장탱크나 파이프라인에서      누출된 유해독성가스의 풍하거리에 따른 1-hr 평균 최대 지표면 농도를 산     출하여 유해독성가스의 인근 지역에 미치는 피해영향의 정량적 예측.

② 결과영향 모델링 방법론의 개발 : 분산모델링의 결과로부터 유해독성가스     들의 법적 규정농도, 흡입용량 및 치사수준(%)에 도달하는 유해위험성 거     리 (Hazard Distance)를 정량적으로 예측하여, 풍하거리 100m 지점에서의     1-hr 평균 최대 지표면 예측농도와 IDLH 및 ERPG-3 농도들을 비교함으로     써 유해독성가스 누출에 대한 독성완충거리 (Toxic Buffer Distance)의 결정.

③ Sliding Scale 방법론의 개발 : 결과영향 모델링의 결과로부터 화학장치설     비들의 종류별, 유해독성가스의 종류별, 누출유형별로 공히 적용하는 방법.

3. 결과 및 고찰

저장탱크 및 파이프라인의 파열로 유해독성가스가 누출될 때 독성완충거리를 결정하는 분산모델링 및 결과영향 모델링을 수행하였으며, 가상적인 시나리오에 대하여 결과영향 모델링의 결과의 예는 다음의 Fig. 2에 나타내었다.

결과영향 모델링의 결과로부터 화학장치설비들의 종류별, 유해독성가스의 종류별, 누출유형별로 공히 적용가능한 Sliding Scale 방법론을 모색하였다.

4. 결론

본 연구는 대기 분산모델링에 의한 예측농도를 IDLH 및 ERPG-3 농도의 규제기준치들과 비교함으로써 유해독성가스의 독성완충거리를 결정하는 결과영향 모델링 방법론을 개발하고, 유해독성가스의 다양한 누출유형에 대하여 Sliding Scale 방법론을 적용함으로써 유해독성가스의 누출에 대한 지역사회의 비상대응체제 계획 수립시 적절하게 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

향후의 연구는 다음과 같이 수행할 예정이다 :

(1) 유해독성가스의 누출에 대한 결과영향 모델링 - Phase 2

① BREEZE HAZ 모델을 이용한 유해독성가스의 누출에 대한 결과영향 평가.② USEPA가 개발한 ADAM 모델, ALOHA/CAMEO 모델, DEGADIS 모델,         HGSYSTEM 모델, SLAB 모델 등을 이용하여 NH3, HF, HCl, CH2CH2O,        LNG 등의 다른 유해독성가스에 대한 모델링 예측결과들의 비교□검토

(2) 가연성 물질에 대한 결과영향 모델링 : SuperChemsTM(V.2) 모델을 이용한        화재 및 폭발에 의한 결과영향 평가□분석

Fig. 2. Consequence modeling results for a hypothetical scenario.

REFERNCES

1. USEPA, "User's Guide for the Industrial Source Complex (ISC 2) Dispersion

Models", Vol. I - Vol. II, EPA-450/4-92-008a and b, March (1992).

2. USEPA, "Workbook of Screening Technologies for Assessing Impacts of Toxic

Air Pollutants (Revised)", EPA-454/R-92-024, Dec. (1992).

3. USEPA, "Guidance on the Application of Refined Dispersion Models to

Hazardous Air Pollutants Releases", EPA-454/R-93-002, April (1993).

4. G.A. Melhem, "Advanced Consequence Analysis : Emission, Dispersion, Fire,

and Explosion Dynamics", Arthur D. Little, Inc. August (1995).

5. USEPA, "User's Guide for the Industrial Source Complex (ISC 3) Dispersion

Models", Vol. I - Vol. II, EPA-454/B-95-003a and b, Sept. (1995).